При повышении давления равновесие смещается вправо в системе 2 со2

Состояние химического равновесия при постоянных условиях может сохраняться очень долго. При изменении внешних условий состояние равновесия нарушается:

изменение концентраций, вызванное нарушением состояния равновесия, называется смещением, или сдвигом химического равновесия.

Изменение внешних факторов может по-разному влиять на скорость прямой и обратной реакции, поэтому химическое равновесие смещается в ту или иную сторону.

Если прекратить внешнее воздействие, то через некоторое время в системе снова установится равновесие, но уже при других концентрациях.

Направление смещения равновесия в зависимости от действия внешних факторов определяется принципом Ле-Шателье:

если на систему, которая находится в состоянии равновесия, подействовать внешним фактором, то равновесие смещается в направлении процесса, ослабляющего это действие.

Для примера рассмотрим газофазную равновесную систему

Если в системе увеличить общее давление (сжать смесь), то равновесие нарушится, в системе начнут протекать процессы, которые приведут к уменьшению давления. Но давление пропорциональное числу молекул. Из равнения реакции видно, что в результате протекания прямой реакции количество молекул газов уменьшается от 4 моль до 2 моль, а в результате обратной реакции – наоборот, увеличивается от 2 моль до 4 моль. Следовательно, общее давления уменьшится, если равновесие сместится в направлении протекания прямой реакции. При уменьшении общего давления в этой системе равновесие сместится в направлении протекания обратной реакции, которая приводит к увеличению количества молекул газов, то есть к увеличению давления.

Для определения направления смещения равновесия при изменении температуры необходимо знать тепловой эффект реакции (ΔH) и помнить, что при экзотермической реакции теплота выделяется и температура повышается, а при эндотермической реакции температура падает за счет поглощения теплоты. Например, в системе

N2 + 3H2 ↔ 2NH3, ∆H298 = –92,4 КДж/моль

при повышении температуры равновесие сместится в сторону обратной (эндотермической) реакции, а при понижении температуры – в сторону прямой (экзотермической) реакции.

Из принципа Ле-Шателье вытекает ряд общих следствий:

при увеличении концентрации одного из веществ равновесие смещается в сторону расходования этого вещества, при уменьшении концентрации – в сторону его образования;

при повышении температуры равновесие системы смещается в направлении протекания эндотермической реакции, а при снижении – в сторону экзотермической;

повышение давления приводит к смещению равновесия в сторону образования меньшего количества молекул газа (т. е. веществ, занимающих меньший объем), а при снижении давления – в сторону образования большего количества молекул газа;

если объем системы во время реакции не изменяется, то изменение давления не влияет на состояние равновесия;

катализатор, одинаково ускоряя и прямую, и обратную реакции, не смещает равновесие, но способствует более быстрому его достижению.

Очень наглядным примером смещения химического равновесия под воздействием внешних факторов может служить равновесная система

благодаря разному окрашиванию составных частей: газ N2O4 – бесцветный, NO2 – буро-оранжевый, а равновесная смесь, состоящая из NO2 и N2O4, – желтая (рис. 7.17 а).

Из уравнения реакции видно, что прямая реакция (экзотермическая) сопровождается выделением теплоты. В соответствии с принципом Ле-Шателье повышение температуры смещает равновесие в сторону протекания обратной (эндотермической) реакции, в результате которой увеличивается количество NO2, а цвет приобретает более темный буро-оранжевый оттенок. И, напротив, охлаждение равновесной смеси приводит к ускорению прямой реакци – образованию бесцветного N2O4 (рис. 7.17 б).

Разное количество молекул газа в левой и правой частях уравнения свидетельствует и о влиянии давления: его повышение смещает равновесие в сторону прямой реакции (т. е. в сторону N2O4), при которой образуется меньшее количество молекул газа, поэтому окрашивание становится значительно бледнее. Понижение давления в равновесной системе (2NO2↔N2O4) смещает равновесие в сторону обратной реакции, дающей большее количество молекул газа (т.е. в сторону NO2), а окрашивание становится более интенсивным (рис. 7.17 в).

Рисунок 7.17 – Смещение равновесия в системе 2NO2↔N2O4+Q: а) цвет индивидуальных газов NO2, N2O4 и их равновесной смеси; б) влияние температуры; в) влияние давления

Пример 7.12. Как влияет повышение давления на химическое равновесие в обратимой системе:

Fe3O4 (т) + CO(г) ↔ 3FeO(т) + CO2 (г)?

Решение. Запишем выражения для скоростей прямой ( J 1) и обратной ( J 2) реакций:

J 1 = k1 [CO]; J 2 = k2 [CO2].

Скорости прямой и обратной реакций не зависят от концентрации твердых веществ, а число молекул газа в левой и правой частях уравнения химической реакции одинаково, поэтому изменние давления одинаково изменяет скорость как прямой, так и обратной реакций и смещения равновесия не происходит.

Пример 7.13. В каком направлении будет смещаться равновесие в гомогенной газофазной системе 2SO2+O2↔SO3, если при постоянной температуре общее давление увеличить в 4 раза?

Решение. В соотвествии с законом действующих масс скорости прямой ( J пр) и обратной ( J обр) реакций выражаются с помощью кинетических уравнений:

Увеличение объема в 4 раза влечет за собой увеличение концентрации каждого вещества в системе тоже в 4 раза. Тогда скорости прямой ( J ‘пр) и обратной ( J ‘обр) реакций возрастут так:

J ‘пр = k1·(4[SO2])2·4[O2] = 64k1·[SO2]2·[O2] = 64 J пр,

J ‘обр = k2·(4[SO3]) 2= 16k2·[SO3]2= 16 J обр.

Из расчетов видно, что при увеличении давления в системе в 4 раза скорость прямой реакции возросла в 64 раза, а скорость обратной – только в 16 раз. Из этого следует, что химическое равновесие смещается в сторону протекания прямой реакции.

Пример 7.14. Как будет смещаться равновесие в системе СН4+2Н2О(г)↔ СО2+4Н2, D Н > 0 при добавлении СН4; при увеличении давления; при повышении температуры?

Решение. Если в систему прибавить метан СН4 (увеличить его концентрацию), ускорится прямая реакция и равновесие будет смещаться вправо. Ускорение прямой реакции приведет к увеличению концентрации продуктов реакции СО2 и Н2 и уменьшению концентрации водяного пара. Процесс будет протекать до тех пор, пока не установится новое равновесие с такими концентрациями всех компонентов, чтобы соотношение между ними, определяемое константой равновесия, оставалось постоянным.

Согласно принципу Ле-Шателье увеличение общего давления в системе смещает равновесие в сторону уменьшения давления, т. е. в сторону уменьшения количества молей газа, что достигается при протекании обратной реакции (слева å n =3 моль, справа å n =5 моль).

Поскольку прямая реакция эндотермическая ( D Н > 0), то, как следует из принципа Ле-Шателье, повышение температуры в системе будет смещать равновесие вправо – именно в сторону эндотермической реакции.

Пример 7.15. Вычислите константу равновесия в газофазной системе 2NO2 ↔ 2NO + O2, если равновесные концентраци NO2 и NO равны 0,06 моль/л и 0,24 моль/л соответственно. Какой была начальная концентрация NO2?

Решение. Из сопоставления коэффициентов в уравнении реакции перед формулами веществ видно, что количество вещества О2 в два раза меньше, чем количество вещества NO. Следовательно,

[О2] = 1/2[NO] = 1/2·0,24 = 0,12 моль/л.

Подставим равновесные концентрации в выражение константы равновесия:

Как следует из уравнения реакции, n (NO2) = n (NO), поэтому равновесная концентрация NO равна концентрации NO2, израсходованного на протекание реакции до состояния равновесия, т. е. [NO2]реакц =

= [NO]равн = 0,24 моль/л. Значит, начальная концентрация складывается из имеющегося к моменту равновесия и прореагировавшего NO2:

[NO2]нач = [NO2]реакц + [NO2]равн = 0,24 + 0,06 = 0,30 моль/л.

Ключевые слова и термины

le chatelier’s principle

principe de le chatelieu

При определении направления смещения равновесия в результате изменения давления следует обращать внимание только на молекулы газообразных веществ.

При определении направления смещения равновесия при изменении температуры важен лишь знак энтальпии реакции.

Какие факторы влияют на смещение химического равновесия?

Сформулируйте принцип Ле-Шателье.

В каком направлении смещается равновесие в газофазной системе при повышении давления, при понижении давления?

В каком направлении смещается равновесие при повышении температуры, при понижении температуры?

В каком направлении смещается равновесие при увеличении концентрации исходного вещества, продукта реакции?

В каком направлении смещается равновесие при уменьшении концентрации исходного вещества, продукта реакции?

В каком направлении смещается равновесие при добавлении в равновесную систему катализатора?

В каком направлении будет смещаться равновесие при увеличении давления в заданных равновесных системах:

а) СН4 + СО2 Û 2СО + 2Н2; б) СО+Н2О(г) Û СО2+Н2;

в) 2NO + Cl2 2NOCl; г) 2Н2О(г) Û 2Н2(г) + О2(г);

д) N2(г) + 3Н2(г) Û 2NH3(г); е) H2(г) + CI2(г) Û 2HCl(г);

ж) CH4(г) + H2O(г) Û CO(г) + 3H2(г)?

Задания для самостоятельной работы

Выберите правильное утверждение относительно скорости прямой реакции в состоянии равновесия:

а) равна нулю; б) превышает скорость обратной реакции; в) равна скорости обратной реакции; г) меньше скорости обратной реакции.

Как изменяется скорость обратной реакции в равновесной системе при увеличении концентрации исходных веществ:

а) увеличивается; б) уменьшается; в) не изменяется; г) сначала уменьшается, потом увеличивается?

В каком направлении смещается химическое равновесие в системе при добавлении катализатора:

а) в сторону прямой реакции; б) в сторону обратной реакции; в) равновесие не смещается; г) сначала в сторону прямой реакции, а затем – в обратную сторону?

Как и почему следует изменить температуру для увеличения выхода водорода в гомогенной газофазной системе СН4 + СО2 Û 2СО + 2Н2; :

а) температуру следует понизить, тогда равновесие сместится в сторону образования большего количества молекул газа; б) изменение температуры не будет смещать равновесие; в) температуру следует повысить, т. к. повышение температуры смещает равновесие в сторону эндотермической реакции; г) температуру следует сначала повысить, а затем понизить – таким образом можно регулировать скорость реакции?

В сторону какой реакции смещается химическое равновесие в газофазной системе при понижении давления:

а) в сторону гетерогенной реакции; б) в сторону экзотермической реакции; в) в сторону образования большего количества молекул газа; г) в сторону образования меньшего количества молекул газа?

В каком направлении будет смещаться равновесие при повышении температуры в системе 2С + О2 ó 2СО, Н<0:

а) в сторону обратной реакции; б) в сторону прямой реакции; в) сначала в сторону прямой реакции, затем в сторону обратной реакции; г) равновесие не смещается?

Как и почему изменение давления влияет на состояние химического равновесия в системе Fe3O4(т)+4H2(г) Û 3Fe(т)+4H2O(г):

а) повышение давления смещает равновесие в сторону образования меньшего количества молекул газа; б) изменение давления не смещает равновесие в данной гетерогенной системе, т. к. количества молекул газа исходных веществ и продуктов реакции одинаковы; в) понижение давления смещает равновесие в сторону образования большего числа молекул газа; г) повышение давления приводит к соответствующему увеличению концентраций всех веществ в системе, поэтому равновесие смещается в сторону расходования того вещества, концентрация которого увеличилась в наибольшей степени?

В какой реакции повышение давления в системе приводит к увеличению выхода продуктов реакции:

а) 2Н2О(г) Û 2Н2(г) + О2(г); б) N2(г) + 3Н2(г) Û 2NH3(г);

в) СаСО3(т) Û СаО(т) + СО2(г); г) СО(г) + Н2О(г) Û СО2(г) + Н2(г)?

В какой системе повышение давления смещает равновесие в сторону образования продуктов реакции:

а) H2(г) + CI2(г) Û 2HCl(г); б) CO(г) + H2O(г) Û CO2(г) + H2(г);

в) CH4(г) + H2O(г) Û CO(г) + 3H2(г); г) 2SO2(г) + O2(г) Û 2SО2(г)?

В какой системе понижение температуры смещает равновесие в сторону образования исходных веществ:

а) CH4 + H2O Û CO + 3H2, Н > 0; б) 3H2 + N2 Û 2NH3,Н < 0;

в) н-C4H10 Û изо-С4Н10,Н = 0; г) 2SO2(г) + O2(г) Û 2SО2(г), Н < 0?

В какой системе изменение давления не влияет на смещение химического равновесия:

а) 2Н2(г) + СО(г) Û СН3ОН(г); б) 3H2(г) + N2(г) Û 2NH3(г);

в) СаСО3(тв) Û СаО(тв)+ СО2(г); г) CO(г) +H2O(г) Û CO2(г)+H2(г)?

В каком направлении будет смещаться равновесие при повышении давления в системе

CH4(г) + H2O(г) Û CO(г) + 3H2(г):

а) равновесие не смещается; б) в сторону обратной реакции; в) в сторону прямой реакции; г) сначала в сторону прямой реакции, затем в сторону обратной реакции?

При повышении давления равновесие в системе

Химические реакции заключаются во взаимодействии реагентов с образованием продуктов реакциию. Не следует, однако, полагать, что направление химической реакции только одно. В действительности, химические реакции протекают и в прямом, и в обратном направлениях:

Все химические реакции, в принципе, обратимы.

Это означает, что в реакционной смеси протекает как взаимодействие реагентов, так и взаимодействие продуктов. В этом смысле различие между реагентами и продуктами условное. Направление протекания химической реакции определяется условиями ее проведения (температурой, давлением,концентрацией веществ).

Многие реакции имеют одно преимущественное направление и для проведения таких реакций в противоположном направлении требуются экстремальные условия. В подобных реакциях происходит почти полное превращение реагентов в продукты.

Пример. Реакция синтеза аммиака является обратимой:

При 200 атм и 400 0С достигается максимальное и равное 36% (по объему) содержание NH3 в реакционной смеси. При дальнейшем повышении температуры вследствие усиленного протекания обратной реакции объемная доля аммиака в смеси уменьшается.

Прямая и обратная реакции протекают одновременно в противоположных направлениях.

В состоянии равновесия скорости прямой и обратной реакции становятся равными.

ПРИНЦИП ЛЕ-ШАТЕЛЬЕ.СМЕЩЕНИЕ ХИМИЧЕСКОГО РАВНОВЕСИЯ.

Положение химического равновесия зависит от следующих парамктров реакции: температуры, давления и концентрации. Влияние, которое оказывают эти факторы на химическую реакцию, подчиняются закономерности, которая была высказана в общем виде в 1884 году французским ученым Ле-Шателье. Современная формулировка принципа Ле-Шателье такова:

1. Влияние температуры. В каждой обратимой реакции одно из направлений отвечает экзотермическому процессу, а другое — эндотермическому.

Прямая реакция — экзотермическая, а обратная реакция — эндотермическая. Влияние изменения температуры на положение химического равновесия подчиняется следующим правилам:

2. Влияние давления. Во всех реакциях с участием газообразных веществ, сопровождающихся изменением объема за счет изменения количества вещества при переоходе от исходных веществ к продуктам, на положение равновесия влияет давление в системе.

Влияние давления на положение равновесия подчиняется следующим правилам:

при понижении давления равновесие сдвигается в направлении образования веществ с большим объемом

Таким образом, при переходе от исходных веществ к продуктам объем газов уменьшился вдвое. Значит, при повышении давления равновесие смещается в сторону образования NH3, о чем свидетельствуют следующие данные для реакции синтеза аммиака при 400 0С:

Источники:

http://stoposel.ru/pri-povyshenii-davleniya-ravnovesie-smeschaetsya-vpravo-v-sisteme.html

http://www.alhimikov.net/reaktion/Page-1.html